TWI719051B - SiC複合基板及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種SiC複合基板及其製造方法,其課題為提供:於多結晶SiC基板與單結晶SiC層之間,未伴隨介入存在層,且未有放入結晶構造之缺陷等於單結晶SiC層而提升多結晶SiC基板與單結晶SiC層之附著力的SiC複合基板。
解決手段為在於多結晶SiC基板(11)上,具有單結晶SiC層(12)之SiC複合基板(10)中,上述多結晶SiC基板(11)與單結晶SiC層(12)所接觸之界面的全面或一部分,則為未晶格匹配之不整合界面I12/11,而上述單結晶SiC層(12)係具有平滑的表面同時,於與多結晶SiC基板(11)的界面側,具有較此表面富凹凸的面,而在上述多結晶SiC基板(11)之多結晶SiC的結晶之最密面(格子面11p)則將單結晶SiC層(12)之表面的法線方向作為基準而隨機地進行配向者。
Description
本發明係有關使用於在高溫,高頻率,大電力之電力控制之肖特基位帳二極體,pn二極體,pin二極體,電場效果型電晶體或絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)等之半導體元件的製造,以及使用於氮化鎵或金剛石,奈米碳薄膜之成長,具有單結晶SiC層於多結晶SiC基板上之SiC複合基板及其製造方法,而特別是有關未有因應力引起之形狀變化,具有低缺陷密度的單結晶SiC表面之大口徑尺寸的複合基板及其製造方法。
以往,作為半導體用基板而廣泛加以使用單結晶矽基板。但,根據其物理性的界限,逐漸成為未滿足動作溫度的高溫化,耐性的提升,並且高頻率化等之要求,而開始使用有單結晶SiC基板或單結晶GaN基板等之高價的新素材基板。例如,經由使用採用較矽(Si),禁制帶寬較寬的半導體材料之碳化矽(SiC)之半導體元件而構成反相器或AC/DC轉換器等之電力變換裝置之
時,而加以實現在使用矽之半導體元件中無法到達之電力損失的降低。經由使用根據SiC之半導體元件之時,除了較以往隨著電力變換之損失降低之外,加以促進了裝置的輕量化,小型化,高信賴性。
對於如此之單結晶SiC基板之製造,係加以使用以2000℃以上的高溫而使高純度SiC粉昇華之同時,使其再成長於遠離而加以設置之晶種上之方法(改良雷尼法)者為通常。但其製造工程係在極嚴格之條件下為複雜之故,無論如何作為,基板的品質或產率亦為低,而成為非常高成本之基板,進而阻礙實用化或廣範圍之利用。
另外在此等的基板上,實際發現裝置機能的層(活性層)之厚度係在上述用途之任何情況,均為0.5~100μm,而剩餘的厚度部分係主要僅擔負為了處理之機械性的保持機能之作用的部分,所謂,無缺陷密度等之限制的支持構件(基板)。
因此,近年來係加以檢討:將具有可處理之最低限度厚度之比較薄的單結晶SiC層,藉由SiO2、Al2O3、Zr2O3、Si3N4、AlN等之陶瓷或Si、Ti、Ni、Cu、Au、Ag、Co、Zr、Mo、W等之金屬而接合於多結晶SiC基板之基板。但,為了接合單結晶SiC層與多結晶SiC基板而介入存在之構成則為前者(陶瓷)之情況,係由於為絕緣體之情況,無法取得裝置作成時之背面的導通,而後者(金屬)之情況係混入有金屬不純物於裝置而引起裝置
的特性或信賴性的劣化之故,並非實用性。
因此,欲改善此等缺點而至此加以提案各種提案,例如,在日本專利第5051962號公報(專利文獻1)中,加以揭示有:於具有氧化矽薄膜之單結晶SiC基板,以氧化矽面而貼合施以氫等之離子注入的源極基板與層積氧化矽於表面之多結晶氮化鋁(中間支撐),將單結晶SiC薄膜,轉印於多結晶氮化鋁(中間支撐),之後,在堆積多結晶SiC之後,放入至HF浴槽,溶解氧化矽面而進行分離之方法。但,對於使用此發明而製造大口徑之SiC複合基板時,經由多結晶SiC堆積層與氮化鋁(中間支撐)之熱膨脹係數差而產生有大的彎曲而成為問題。除此之外,經由異種材料界面的界面能量的高度而產生有構造缺陷,而此等則傳送至單結晶SiC層中,亦可引起使缺陷密度增加之問題。
另外,在日本特開2015-15401號公報(專利文獻2)中,係加以揭示有:未形成氧化膜地,以高速原子束而將多結晶SiC的支持基板表面改質成非晶質之同時,單結晶SiC表面亦改質成非晶質之後,經由使兩者接觸而進行熱接合之時,對於表面的平坦化困難之多結晶SiC支持基板而言,未伴隨在接合界面之氧化膜的形成,而層積單結晶SiC層之方法。但在此方法中,以高速原子束,不僅單結晶SiC之剝離界面,而結晶內部亦一部分進行改質之故,難得之單結晶SiC則即使經由之後的熱處理,亦相當不易回復為良質之單結晶SiC,而使用於裝置
基板或模板等之情況,有著不易取得高特性的裝置或良質之SiC磊晶膜之缺點。
除了此等缺點,在上述技術中,為了貼合單結晶SiC與支持基板的多結晶SiC,係貼合界面為表面粗度(算術平均表面粗度Ra(JIS B0601-2013))1nm以下之平滑性則為不可欠缺,但稱為僅次於金剛鑽之難削材的SiC係即使將單結晶SiC表面改質成非晶質,在之後的研削,研磨或者化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)等之平滑化處理,亦需要極多的時間,而無法避免高成本化,而成為實用化之大的障礙。
更且,在單結晶SiC層之結晶性回復時點引起體積變化,此等則招致內部應力或自多結晶/單結晶界面所產生之缺陷(轉移)的擴張,更且使伴隨將基板尺寸作為大口徑而彎曲量增大等之問題產生。另外,對於單結晶SiC層之變質層為非晶質層之情況,其層之再結晶化則伴隨均一核生成之故,而無法避免雙晶產生。除此之外,自離子照射至貼合為止係在真空中的連續處理之故,而可舉出裝置之成本變大之問題,依存於基板的粗度而深度射程(高功率)之離子注入則成為必要,而提高裝置成本之問題。
另外,在日本特開2014-216555號公報(專利文獻3)中,加以揭示有:經由於支持基板上,貼合包含點缺陷之單結晶SiC之第1層,而與支持基板同時進行加熱之時,使原子配列進行再配列而消滅面缺陷或線缺陷
之同時,遮斷支持基板的結晶面對於上層帶來的影響之發明。但,第1層中的點缺陷則在熱處理時變換成複合缺陷,而則有此等招致雙晶或層積缺陷的產生之問題,另外,為了使點缺陷分布於單結晶SiC層(第1層)內,係必須多階段離子注入之情況,而有基板製造處理複雜化的問題,更且有著經由與支持基板貼合之層界面的功率高度而產生轉移之問題。
另外,在日本特開2014-22711號公報(專利文獻4)中,加以揭示有:經由於高不純物濃度且高密度缺陷的支持基板上,貼合低不純物密度且低密度缺陷之SiC層,而於其上層,磊晶成長作為半導體元件而成為必要之不純物濃度的層之時,得到與低濃度層同等的低缺陷密度層之方法。但殘留有對於貼合界面產生有金屬污染的問題,或結晶格子則自基板至表面為止連續之故,而自高密度基板,移轉則擴散至表層側之問題。
另外,在日本特開2014-11301號公報(專利文獻5)中,加以揭示有:加熱SiC之支持基板,將其表面,變換成碳作為主體的層,在貼合單結晶的半導體層於其面之後,裂開其全面或一部分之方法。但包含SiC與碳的層係以脆弱的原子鍵結而加以貼合之故,貼合界面係亦機械性弱,且在氧化環境,碳層係亦受到損傷之故,而無法成為得到安定的基板之手段。
另外,在日本特開平10-335617號公報(專利文獻6)中,加以揭示有:對於單結晶半導體基板,未
使用離子注入而設置氫吸附層與非晶質層,經由貼合非晶質層於支持基板而使其固相再成長之後,使單結晶半導體基板剝離,而於絕緣膜上得到半導體薄膜之方法。但在非晶質層之固相成長時有雙晶發生之可能性之外,因隔著絕緣膜之故,而有無法製造如流動電流於縱方向之分立元件用的基板之問題。
作為關連於本發明之其他先前技術文獻,加以舉出以下者。
“Reduction of Bowing in GaN-on-Sapphire and GaN-on-Silicon Substrates by Stress Implantation by Internally Focused Laser Processing”Japan Journal of Applied Physics Vol.51(2012)016504(非專利文獻1)
[專利文獻1]日本專利第5051962號公報
[專利文獻2]日本特開2015-15401號公報
[專利文獻3]日本特開2014-216555號公報
[專利文獻4]日本特開2014-22711號公報
[專利文獻5]日本特開2014-11301號公報
[專利文獻6]日本特開平10-335617號公報
[非專利文獻1]“Reduction of Bowing in GaN-on-Sapphire and GaN-on-Silicon Substrates by Stress
Implantation by Internally Focused Laser Processing”Japan Journal of Applied Physics Vol.51 (2012) 016504
本發明係有鑑於上述情事所作為之構成,其目的為提供:於多結晶SiC基板與單結晶SiC層之間,未伴隨介入存在層,且未有放入結晶構造之缺陷等於單結晶SiC層而提升多結晶SiC基板與單結晶SiC層之附著力的SiC複合基板及其製造方法。
本發明係為了達成上述目的,而提供下述之SiC複合基板及其製造方法。
[1]一種SiC複合基板,係其特徵為在於多結晶SiC基板上,具有單結晶SiC層之SiC複合基板中,上述多結晶SiC基板與單結晶SiC層所接觸之界面的全面或一部分,則為未晶格匹配之不整合界面,而上述單結晶SiC層係具有平滑的表面同時,於與多結晶SiC基板的界面側,具有較此表面富凹凸的面,而在上述多結晶SiC基板之多結晶SiC的結晶之最密面則將單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而隨機地進行配向者。
[2]如[1]所記載之SiC複合基板,其中,上述單結晶SiC層則於與多結晶SiC基板之界面側具有的凹凸面,係
構成其凹凸之傾斜面則將該單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向者。
[3]如[1]或[2]所記載之SiC複合基板,其中,上述多結晶SiC基板係化學氣相沉積膜者。
[4]如[1]至[3]任一項所記載之SiC複合基板,其中,上述多結晶SiC基板之多結晶SiC係為立方晶,而其最密面為{111}面者。
[5]一種SiC複合基板之製造方法,係於多結晶SiC基板上,具有單結晶SiC層之SiC複合基板的製造方法,其特徵為在設置單結晶SiC薄膜於保持基板之主面之後,對於該單結晶SiC薄膜,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起之缺陷,而作成此面則成為較保持基板側的表面富凹凸,且構成該凹凸之傾斜面則將保持基板側表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向之凹凸面之單結晶SiC層,接著,經由化學氣相沉積法而堆積多結晶SiC於該單結晶SiC層之凹凸面,形成該多結晶SiC之結晶的最密面則將單結晶SiC層之保持基板側表面的法線方向作為基準而隨機地配向之多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
[6]如[5]所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,經由使用金剛鑽磨粒而將上述單結晶SiC薄膜表面研磨於隨機的方向,而粗面化該單結晶SiC薄膜表面者。
[7]如[5]或[6]所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,上述保持基板係由多結晶或單結晶矽所成者。
[8]如[5]至[7]任一項所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,將經由離子注入剝離法而自單結晶SiC基板所剝離之單結晶SiC薄膜,轉印至上述保持基板上而設置者。
[9]如[5]至[7]任一項所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,於上述保持基板上,使SiC異質磊晶成長而設置上述單結晶SiC薄膜者。
[10]如[5]至[9]任一項所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作設置上述單結晶SiC層於上述保持基板的兩面之單結晶SiC層載持體,接著,於各單結晶SiC層之凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
[11]如[5]至[9]任一項所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,於各該單結晶SiC層之凹凸面及上述保持基板的背面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
[12]如[5]至[9]任一項所記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作2片於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,接合此等之單結晶SiC層載持體之保持基板的背面彼此之後,於各此接合之基板的表背面之單結晶SiC層之凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,接著,在上述保持基板之背面彼此的接合部分進行分離,而與此同時或之後,物理性及/或化學性地
除去各保持基板者。
如根據本發明之SiC複合基板,由於在單結晶SiC層與多結晶SiC基板所接觸之界面中,結晶格子為不匹配之不整合界面之情況,微視性地應力產生作用於特定的方位,而兩者的附著力則有下降之傾向時,由於在多結晶SiC基板之多結晶SiC的結晶之最密面則將單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而隨機地配向情況,在單結晶SiC層與多結晶SiC基板之界面中,呈於所有方位,均等地產生有拉伸應力與壓縮應力而成為相抵,而作為界面全體係可降低內部應力,可謀求兩者之附著力提升者。另外,單結晶SiC層與多結晶SiC基板之界面為不整合界面之故,即使轉移產生於多結晶SiC基板內,亦加以阻止對於單結晶SiC層內之擴散,更且由於在多結晶SiC基板之多結晶SiC的結晶之最密面則將單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而隨機地配向情況,即使經由局部存在化之應力而在界面附近之單結晶SiC層內產生有轉移,此等係等向性地擴散之故,所擴散之轉移或層積缺陷則相互終端配合,而成為可得到低缺陷密度之單結晶SiC表面者。
另外,如根據本發明之SiC複合基板之製造方法,因經由機械加工之粗面化而較保持基板側的表面富凹凸,且構成該凹凸之傾斜面則作為將保持基板側表面的法線方向
作為基準而朝向隨機之方向,成為凹凸面之單結晶SiC層,再於其凹凸面,形成經由化學氣相沉積法,而堆積多結晶SiC,該多結晶SiC之結晶的最密面則將單結晶SiC層之保持基板側表面的法線方向作為基準而隨機地配向之多結晶SiC基板之故,可簡便地製造本發明之SiC複合基板。
10‧‧‧SiC複合基板
11,11’‧‧‧多結晶SiC基板
11b‧‧‧晶粒邊界
11p,12p‧‧‧格子面
12‧‧‧單結晶SiC層
12a‧‧‧單結晶SiC薄膜
12e‧‧‧單結晶SiC薄膜(異質磊晶成長膜)
12i‧‧‧離子注入範圍
12s‧‧‧單結晶SiC基板
12’‧‧‧SiC磊晶層
13‧‧‧貼合基板
14,14’,14”‧‧‧單結晶SiC薄膜載持體
15,15’,15”‧‧‧單結晶SiC層載持體
16,16’‧‧‧接著貼合體
21‧‧‧保持基板
22‧‧‧介入存在層
22a‧‧‧薄膜
23‧‧‧接著層
I12/11‧‧‧不整合界面
圖1係顯示有關本發明之SiC複合基板的全體構成之剖面圖。
圖2係顯示有關本發明,在SiC複合基板之單結晶SiC層與多結晶SiC基板之界面的微視性構造的概念圖。
圖3係顯示以往,在SiC複合基板之單結晶SiC層與多結晶SiC基板之界面的微視性構造的概念圖。
圖4係顯示有關本發明,在SiC複合基板之製造方法的實施形態1之製造工程的圖。
圖5係顯示有關本發明,在SiC複合基板之製造方法的實施形態2之製造工程的圖。
圖6係顯示有關本發明,在SiC複合基板之製造方法的實施形態3之製造工程的圖。
圖7係顯示有關本發明,在SiC複合基板之製造方法的實施形態4之製造工程的圖。
圖8係實施例1之多結晶SiC基板之表面的實體顯微
鏡像。
圖9係顯示經由在實施例1之SiC複合基板之多結晶SiC基板之X線繞射法(θ-2θ法)的測定結果的圖。
圖10係顯示經由在實施例1之SiC複合基板之多結晶SiC基板之X線搖擺曲線(ω掃描)的圖。
圖11係顯示SiC複合基板之Bow量的測定方法之概略圖。
以下,對於有關本發明之SiC複合基板加以說明。
有關本發明之SiC複合基板,係其特徵為在於多結晶SiC基板上,具有單結晶SiC層之SiC複合基板中,上述多結晶SiC基板與單結晶SiC層所接觸之界面的全面或一部分,則為未晶格匹配之不整合界面,而上述單結晶SiC層係具有平滑的表面同時,於與多結晶SiC基板的界面側,具有較此表面富凹凸的面,而在上述多結晶SiC基板之多結晶SiC的結晶之最密面則將單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而隨機地進行配向者。
於圖1,圖2,顯示有關本發明之SiC複合基板的構成。圖1係顯示SiC複合基板之全體構成(巨視性構造)的剖面圖,而圖2係顯示在單結晶SiC層與多結晶SiC基板之界面的微視性構造的概念圖。
如圖1所示,有關本發明之SiC複合基板10係具有:多結晶SiC基板11,和加以設置於多結晶SiC基板11上之單結晶SiC層12。
在此,在多結晶SiC基板11之多結晶SiC之結晶的最密面係將單結晶SiC層12之表面的法線方向作為基準而隨機地配向。
然而,隨機地配向係指:並非多結晶SiC之結晶的最密面則將單結晶SiC層12之表面的法線方向作為基準而作為多結晶SiC基板11全體而視之情況,偏向於特定的方位,而是均等地朝向全方位者。
多結晶SiC基板11之厚度係當考慮支持基板之強度時,100~650μm者為佳,而當亦加進作為縱型裝置而使用之情況的串聯阻抗時,200~350μm者為更佳。經由將厚度作為100μm以上時,成為容易確保作為支持基板之機能,而經由作為650μm以下時,可謀求成本與電性阻抗的抑制者。
多結晶SiC基板11係經由化學氣相沉積法(Chemicla Vapor Deposition、CVD法)而堆積多結晶SiC的膜,即,化學氣相沉積膜者為佳。即,多結晶SiC基板11係各結晶粒的最密面則呈配向於隨機的方位,對於單結晶SiC層12表面之起伏斜面而言呈成為平行地堆積者(詳細係後述之)則為佳。
另外,構成多結晶SiC基板11之結晶的粒徑係0.1μm以上30μm以下為佳,而0.5μm以上10μm以下
更佳。由於經由將結晶粒徑作為30μm以下而抑制特定之SiC結晶粒與單結晶SiC層12之界面的面積,而抑制在界面之應力的局部存在化,進而抑制結晶格子之塑性變形,或變得容易抑制轉移之運動之情況,成為容易提高保持單結晶SiC層12之品質。另外,經由將結晶粒徑作為0.1μm以上時,成為呈可容易增加將多結晶SiC基板11作為支持基板的機械性強度,降低阻抗率而達成作為半導體用基板之機能者。
另外,多結晶SiC基板11之多結晶SiC係為立方晶者為佳,而其最密面則為{111}面者為更佳。立方晶SiC則為等向性的結晶,且具有等效之4個最密面之故,而加以避免特定之最密面則配向於特定方位情況,在多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之界面的應力之降低效果,或SiC複合基板10之彎曲的降低效果則更成為確實者。另外,立方晶SiC係由於在多結晶SiC之中為最低溫的相,且在Si之熔點以下亦可形成之情況,亦有後述之保持基板的材質選定之自由度增加的優點。
然而,導入不純物於多結晶SiC基板11而調整阻抗率亦可。成為可經由此而作為縱型功率半導體裝置之基板最佳地進行使用者。
更且,多結晶SiC基板11係由與上層之單結晶SiC層12同樣的SiC所成,而從單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之熱膨脹係數則成為均等之情況,即使在任何溫度,亦加以降低SiC複合基板10之彎曲。
單結晶SiC層12係如為單結晶SiC所成之構成,其結晶構造則均可為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC之任
另外,單結晶SiC層12係如後述,塊狀之單結晶SiC,例如,結晶構造則為自4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC之單結晶SiC基板,使其剝離成薄膜狀或者層狀之構成者為佳。或者,單結晶SiC層12係如後述,亦可為經由氣相成長法而使其異質磊晶成長的膜。
另外,單結晶SiC層12係厚度為1μm以下、而理想為100nm以上1μm以下、更理想為200nm以上800nm以下、又更理想為300nm以上500nm以下之單結晶SiC所成之薄膜。
單結晶SiC層12則經由離子注入剝離法而加以形成之情況,其厚度係經由離子注入的射程(離子注入深度)而加以決定,而1μm程度則成為上限。然而,當作為呈將單結晶SiC層12作為功率裝置的活性層而使用時,有要求10μm以上之厚度情況,但於此情況,於單結晶SiC層12上,使SiC磊晶成長層12’進行同質磊晶成長而形成所期望膜厚之單結晶SiC層即可。
另外,單結晶SiC層12則於與多結晶SiC基板11之界面側具有的凹凸面,係構成其凹凸面的傾斜面則將該單結晶SiC層12之表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向者為佳。對於此表面凹凸的狀態,係在SiC複合基板之製造方法的實施形態中後述。
圖2係顯示在有關本發明之SiC複合基板10之單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之界面的微視性構造的概念圖,而11p係構成多結晶SiC基板11之結晶的格子面,11b係其晶粒邊界,12p係構成單結晶SiC層12之單結晶的格子面。SiC複合基板10係具有於多結晶SiC基板11上,接觸有單結晶SiC層12之構造,而多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之界面的全面或一部分係成為結晶格子為不匹配之不整合界面I12/11。
在圖2中,構成多結晶SiC基板11之結晶係於構成與在單結晶SiC層12之多結晶SiC基板11的界面側表面(即,不整合界面I12/11)之凹凸的各傾斜面,呈現其最密面(格子面11p)則對於該傾斜面而言呈成為平行地堆積之構成。
在接觸有單結晶SiC層於以往的多結晶SiC基板上之構造的不整合界面中,從格子間隔或格子面配向方位的不同,產生有結晶格子的非連續性(圖3)。對於位置於此非連續部(不整合界面)之原子(Si或C)係產生有未原子鍵結之故,電性中性條件則局部產生混亂而產生斥力或引力作用,而此等則使平行於界面的應力(圖中,箭頭)產生。
應力所作用的方位係經由各結晶面的配向方位等而加以決定。因此,在傾斜於特定方位之不整合界面中,係產生應力作用於特定方位之故,內部應力則殘留,而附著力下降。
在本發明中,未使此內部應力殘留,或降低之故,作為呈使在不整合界面I12/11之應力的作用方向分散,使相反的應力產生進行相抵。即,在本發明中,多結晶SiC基板11之結晶粒的各結晶格子之最密面(格子面11p)則將在單結晶SiC層12之表面(在圖2中為上面)之法線方向作為基準而隨機地配向(將單結晶SiC層12之最密面的配向方向作為中心軸而進行分散配向),在所有的方位,均等地產生有拉伸應力與壓縮應力而相互相抵,作為單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之界面(不整合界面I12/11)全體係實現無應力化或低應力化(0.1GPa以下之內部應力)。
此時,多結晶SiC基板11之結晶粒的各結晶格子之最密面則做成將單結晶SiC層12之表面(基準面)作為基準,以偏向角θ而傾斜進行配向的情況(圖2),成為θ≦-2度或2度≦θ之結晶粒之比例則為構成多結晶SiC基板11之全結晶粒的32%以上者為佳,而50%以上者更佳。此比例則不足32%時,成為-2度<θ<2度之結晶粒之比例則成為68%以上,而從對於界面面積而言之整合界面的比例則增加(即,最密面則配向於特定方位(例如,單結晶SiC層12之表面(在圖2中為上面)之法線方向)的SiC結晶的比例則增加)之情況,有損及應力的相抵效果,單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之界面附近的內部應力則變高,而有引起剝離或變形之虞。然而,θ=0度則為配向分布的平均(中心)(即,對於單
結晶SiC層12之表面(基準面)的法線方向而言進行配向的情況(對於基準面而言,最密面則成為平行之情況)。
為了提高多結晶SiC基板11之附著力,係單結晶SiC層12之結晶的最密面則對於與多結晶SiC基板11之界面而言為平行者為佳,但為了在單結晶SiC層12表面,使階流磊晶成長發現,係結晶面則有必要作為微傾斜。當考慮此情況時,單結晶SiC層12之結晶格子的最密面則在與多結晶SiC基板11之界面中具有超過0度而10度以內之偏向角者為佳。當單結晶SiC層12之結晶格子的最密面的偏向角則超過10度時,不整合界面的能量則變高,而有損及單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之附著力,以及在界面的轉移之產生頻率變高,而有在界面所產生之轉移則擴散至單結晶SiC層12內之情況。
然而,單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11之界面係為不整合界面I12/11之故,即使轉移產生於多結晶SiC基板11內,亦加以阻止在該不整合界面I12/11,對於單結晶SiC層12內之擴張。另外,即使作為經由局部存在化之應力而在界面附近的單結晶SiC層12內,產生有轉移,此等係為等向性擴張之故,擴張之轉移或層積缺陷則相互配合終端,而亦成為可得到低缺陷密度之單結晶SiC層12表面。
由以上,如根據本發明之SiC複合基板10,亦可作為(1)從未有熱膨脹差於單結晶SiC層12與多結
晶SiC基板11之間之情況,消解依據予支持基板之熱膨脹差的彎曲,(2)未有導入損傷或複合缺陷,雙晶,層積缺陷於單結晶SiC層12情況,(3)未有損及單結晶SiC層12/多結晶SiC基板11界面的機械性強度之情況,而單結晶SiC層12與多結晶SiC基板11係堅固附著(接合),(4)從未有金屬介入存在層於多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之間之情況,未有金屬污染,(5)因未含有絕緣層於多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之間之故,而呈流動電流至縱方向之分立元件用之基板材料或電性阻抗率為可變之功率半導體之基板材料而理想使用。
在製造有關上述本發明之SiC複合基板10上,由於磊晶成長單結晶SiC於多結晶基板上之情況係為不可能者,如專利文獻1(日本專利第5051962號公報)所示,採用將多結晶SiC作為支持基板而堆積於單結晶SiC層上之方法為佳。但,於成為單結晶SiC層之多結晶SiC基板的界面之表面,使多結晶SiC堆積,對於將其格子面的配向方位,在與堆積單結晶SiC層之多結晶SiC的面相反面之背面,將面的法線方向作為基準而做成隨機(即,對於將界面的法線軸作為旋轉中心的方位,均等地使其分散),係有必要在單結晶SiC層之多結晶SiC堆積側表面,帶來配向於隨機的方位之核形成,為此係加以限定多
結晶SiC基板的形成條件。實際上,有必要在單結晶SiC層之多結晶SiC堆積側表面中,探索多結晶SiC則未配向於特定方位之結晶成長條件,謀求其條件的最佳化(配向方位之分散與均一化),以及探索準安定之非晶質化條件之故,實現本發明之SiC複合基板10之構造係並非容易。因為,對於在結晶成長中,有著能量最低的面則優先露出於表面的特性之故,而特定的面方位則有配向(優先配向)於表面之法線軸方位的傾向之故。
本發明者們係得到:可將經由意圖性地損及(粗面化)成為與在單結晶SiC層中成為支持基板的多結晶SiC基板之界面的表面平滑性之時,進行堆積之多結晶SiC的結晶之最密面(格子面)的配向方位,如上述作為隨機之構思,進行銳意檢討而至構成本發明。
即,有關本發明之SiC複合基板之製造方法,係於上述多結晶SiC基板11上,具有單結晶SiC層12之本發明的SiC複合基板10的製造方法,其特徵為在設置單結晶SiC薄膜於保持基板之主面之後,對於該單結晶SiC薄膜,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起之缺陷,而作成此面則成為較保持基板側的表面富凹凸,且構成該凹凸之傾斜面則將保持基板側表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向之凹凸面之單結晶SiC層,接著,經由化學氣相沉積法而堆積多結晶SiC於該單結晶SiC層之凹凸面,形成該多結晶SiC之結晶的最密面則將單結晶SiC層之保持基板側表面的法線方
向作為基準而隨機地配向之多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
在此,對於成為與在單結晶SiC層12之多結晶SiC基板11的界面之表面(多結晶SiC堆積側表面),作為經由特定之機械加工之粗面化處理,係如為作為構成上述凹凸之傾斜面則將保持基板側表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向之凹凸面的機械性加工,並無特別加以限定,但例如,經由使用金剛鑽磨粒而將上述單結晶SiC薄膜表面研磨於隨機的方向而粗面化該單結晶SiC薄膜表面之處理者為佳。此時,粗面化的程度(凹凸的大小或傾斜面之朝向方向的隨機度加減),係可經由對於金剛鑽磨粒之粒徑,粗面化加工面的加壓力,處理時間等而調整者。
在此,單結晶SiC層12之表面凹凸的狀態係可在構成表面粗度與該表面凹凸的傾斜面之配向狀態而進行特定者。然而,作為所稱之表面粗度係例如,可舉出算術平均粗度Ra、最大高度粗度Rz、二次方平均平方根粗度Rq(表面粗度RMS(Root-mean-quare:二次方平均粗度)(JIS B0501-2013)等。
單結晶SiC層12加以形成於之多結晶SiC堆積側表面的凹凸係算術平均粗度Ra1係則為1nm以上100nm以下,而構成該凹凸的傾斜面之最大斜度則在任一方位中,亦將單結晶SiC層12之保持基板側表面作為基準而為2度以上10度以下者為佳然而,構成凹凸之傾斜
面係堆積有多結晶SiC之基底面,多結晶SiC之最密面則成為平行於基底面。其原因係最密面的表面能量則為極小,而有支配性地被覆結晶表面的傾向之故。因此,單結晶SiC表面的凹凸則如為隨機,可在單結晶SiC層12上,意圖性地隨機改變多結晶SiC基板11之結晶所成長之方位。即,如根據此構造,假設多結晶SiC基板之結晶粒則即使對於單結晶SiC層12表面而言作為優先配向,如圖2所示,多結晶SiC基板11之多結晶SiC的結晶之格子面11p的配向方位係亦對應於構成單結晶SiC層12之界面側表面凹凸的各傾斜面之方向而進行分散配向(將單結晶SiC層12之保持基板側表面的法線方向作為基準而隨機地進行配向)。此時,構成單結晶SiC層12之多結晶SiC堆積側表面凹凸之傾斜面的最大傾斜度則在任一的方位中均為2度以上10度以下之情況,所堆積之多結晶SiC基板11之多結晶SiC的結晶之格子面11p的配向方位係成為呈以2度以上10度以下進行分散配向。
特別是在圖2中,構成接觸於在單結晶SiC層12之多結晶SiC基板11之凹凸面的偏向角θ的傾斜面之配向方位,則對於均等地分布於將多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之界面(或者,單結晶SiC層12之保持基板側表面)的法線軸作為中心之旋轉對稱的方位之情況,係對於任一之方位,不整合界面的細微構造則均隨機地變化之故,而充分地發現應力的相抵效果。然而,接觸於在單結晶SiC層12之多結晶SiC基板11之構成凹凸面
的偏向角θ的傾斜面之配向方位,則對於偏向於特定方向之情況,係應力則成為集中於特定方位之結果,而彎曲則產生於SiC複合基板之故而並不理想。
另外,單結晶SiC層12之多結晶SiC堆積側表面的算術平均粗度Ra則低於1nm時,由於對於構成表面凹凸之各傾斜面,成為無法確保充分的面積,而加以堆積於其傾斜面之多結晶SiC之結晶粒徑則變小之情況,有成為無法確保將多結晶SiC基板11作為支持基板的機械性強度,或作為半導體基板之低阻抗率之虞。另外,對於算術平均粗度Ra超過100nm之情況,係為了發現應力之相抵效果之單結晶SiC層的厚度亦必須為100nm以上,而有成為無法期望經由複合基板之成本降低效果之情況。更且,必須將超過高度100nm之起伏(凹凸)形成於單結晶SiC層上之故,而加以導入於單結晶SiC層之損傷則成為極大者,而作為功率半導體裝置之基板的結晶品質則成為無法被確保。當考慮對於單結晶SiC層表面的起伏加工之現實性時,多結晶SiC堆積側表面的算術平均粗度Ra係1nm以上10nm以下則更佳,而1nm以上5nm以下則又更佳。
在本發明之SiC複合基板的製造方法中,將經由離子注入剝離法而自單結晶SiC基板使其剝離之單結晶SiC薄膜,轉印設置於上述保持基板上者為佳。或者,於上述保持基板上,使SiC異質磊晶成長而設置上述單結晶SiC薄膜亦可。經由此,因可經由一次之離子注入剝離
處理或異質磊晶成長,而得到具有必要最低限的薄膜,左右SiC複合基板之特性的單結晶SiC層12之故,可經濟性地製造高特性之SiC複合基板者。
另外,作為為了形成多結晶SiC基板11之化學氣相沉積法,係使用熱CVD法者為佳。於單結晶SiC層12上堆積多結晶SiC而形成之故,如以往技術,可作為無須依據難研削材之SiC之研削、研磨、CMP等之高平坦化的工程者。
另外,上述保持基板係經由離子注入法之加工則容易進行,而物理性及/或化學性的除去(即,研削加工或蝕刻)則容易進行,而與SiC之熱膨脹率係數的差未相當大之材料所成者為佳,而多結晶或單結晶矽所成者則特別理想。作為保持基板而採用單結晶SiC晶圓的情況,由可以低價格而取得高品質之大口徑基板之情況,亦可降低SiC複合基板之製造成本。另外,亦可將單結晶之立方晶SiC異質磊晶成長於單結晶Si晶圓上,而從未必要單結晶SiC基板的接合或剝離工程之情況,成為可廉價地製造較市售之塊狀SiC晶圓為大口徑之SiC複合基板者。
另外塊狀之單結晶SiC係為高價之故,直接使用單結晶SiC基板,以及主體性地使用單結晶SiC基板而製造SiC複合基板者係在經濟性並不理想。因此,在本發明中,如專利文獻1(日本專利第5051962號公報),自單結晶SiC晶圓剝離單結晶SiC薄膜,將該薄膜轉印至
保持基板而確保外觀上的機械強度之後,作為設置特定的表面凹凸(等向性的傾斜部(起伏)於單結晶SiC薄膜表面之後,堆積多結晶SiC而形成多結晶SiC基板,呈得到SiC複合基板。
此時,對於保持基板則與單結晶SiC層或多結晶SiC基板,熱膨脹係數為大差異之情況,經由複合基板製造中的溫度變化而對於含有保持基板之層積體,產生有彎曲。當在製造過程中產生有如此之彎曲時,由於在單結晶SiC層與多結晶SiC基板的界面中,無關於加以謀求低應力化或無應力化,而SiC複合基板之形狀係反應保持基板之彎曲之故,有著無法得到平坦之基板之虞。當SiC複合基板則欠缺平坦性時,適用裝置製造工程等之光微影工程之情況則變為困難,而妨礙SiC複合基板之實用化。
因此,即使在保持基板與單結晶SiC層12或多結晶SiC基板12之間,對於熱膨脹係數有著差,亦呈未對於含有保持基板之層積體產生有彎曲地,於在該層積體之保持基板的兩面各側,堆積成為支持基板之多結晶SiC基板者為佳。此情況,假設對於保持基板與多結晶SiC基板之間,產生有因膨脹係數的差引起的應力,作用於保持基板之表背面之應力的方向係相互成為相反方向,而其大小係成為均等之故,可作為呈即使在任何的處理溫度,亦未對於層積體產生有彎曲情況,其結果,可得到未彎曲之SiC複合基板。除此之外,保持基板之外觀上的剛性增加之故,而加以促進多結晶SiC基板內之轉移的運
動,而加以消解殘留應力之故,成為可製造熱以及機械性亦為安定之SiC複合基板者。
例如,製作於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,而於各該單結晶SiC層之凹凸面及上述保持基板的背面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板即可。
或者,製作設置上述單結晶SiC層於上述保持基板的兩面之單結晶SiC層載持體,接著,於各單結晶SiC層之凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者為佳。經由此,經由一次的多結晶SiC基板之形成處理而可形成2片SiC複合基板之故,製造成本的降低效果則增加。
或者,對於設置單結晶SiC層於保持基板的兩面情況為困難之情況,製作2片於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,在接合或接著此等單結晶SiC層載持體之保持基板之背面彼此之後,於接合或接著之基板的表背面之單結晶SiC層的各凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,接著,在上述保持基板之背面彼此的接合或接著部分進行分離,之後,作為呈物理性及/或化學性地除去各保持基板亦可。如根據此,可形成實質上於兩面加以形成單結晶SiC層之1組的保持基板之故,可經由一次的多結晶SiC基板之形成處理而形成2片的SiC複合基板,而成為可實現成本降低或平坦
化,安定化者。
以下,說明有關本發明之SiC複合基板的製造方法之實施形態1~4。
對於本發明之實施形態1,參照圖4之同時加以說明。
首先,準備作為貼合於保持基板21之單結晶SiC基板12s。在此,單結晶SiC基板12s係作為選自結晶構造為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC之構成者為佳。單結晶SiC基板12s及後述之保持基板21的尺寸係自對於半導體元件的製造或氮化鎵,金剛石,奈米碳膜之成長必要之尺寸或成本等進行設定。另外,單結晶SiC基板12s之厚度係SEMI規格或JEIDA規格之基板厚度附近的構成則從裝卸的面為佳。然而,作為單結晶SiC基板12s,如使用市售的構成,例如朝功率裝置所市售之單結晶SiC晶圓即可,而使用其表面則以CMP(Chemical Mechanical Polishing(or Planarization))處理加以加工研磨,表面為平坦且平滑之構成者為佳。在此,作為單結晶SiC基板12s,使用例如,在4H-SiC(000-1)C面,偏向2度於[11-20]方位之單結晶SiC晶圓。
另外,於與單結晶SiC基板12s之至少保持
基板21進行貼合的表面,形成特定之薄膜22a者為佳(圖4(a))。在此,薄膜22a係為厚度50nm~600nm程度之氧化矽膜,氮化矽膜或氧氮化矽膜的電介體膜即可。經由此,不僅與保持基板21之貼合變為容易,亦可抑制在之後所進行之離子注入處理的注入離子的通道作用的效果。
作為薄膜22a之形成方法,係如為密著性佳地形成於單結晶SiC基板12s之成膜方法,亦可為任何方法,例如氧化矽膜係經由PECVD法或熱氧化法而形成,而氮化矽膜,氧氮化矽膜係經由濺鍍法而形成即可。
接著,準備保持基板21。作為在本發明所使用之保持基板21,由耐熱溫度1100℃以上的耐熱材料(但,除了單結晶SiC)所成之構成為佳,而由多結晶或單結晶矽所成之基板則更佳。在此,例如作為保持基板21,使用面方位(111)面之單結晶Si基板。
另外,於與保持基板21之至少單結晶SiC基板12s進行貼合的表面,形成與上述工程1-1同樣的薄膜22a者為佳(圖4(b))。
接著,注入氫離子等於單結晶SiC基板12s之薄膜22a形成面而形成離子注入範圍12i(圖4(c))。
在此,在離子注入至單結晶SiC基板12s時,以呈可自其表面形成離子注入範圍12i至所期望的深度之注入能量,注入特定的線量至少氫離子(H+)或氫分子離子(H2 +)。作為此時之條件,呈成為所期望薄膜之厚度地,設定離子注入能量即可。同時注入He離子或B離子等亦可,而如為得到相同效果之構成,亦可採用任何離子。但從降低對於單結晶SiC結晶晶格之損傷的觀點,儘可能為輕元素的離子者為佳。
注入至單結晶SiC基板12s氫離子(H+)的摻雜量係1.0×1016atom/cm2~9.0×1017atom/cm2者為佳。當為不足1.0×1016atom/cm2時,有著未引起有界面的脆化之情況,而當超出9.0×1017atom/cm2時,在貼合後之熱處理中成為氣泡,有著成為轉印不佳的情況。
作為注入離子而使用氫分子離子(H2 +)之情況,其摻雜量係為5.0×1015atoms/cm2~4.5×1017atoms/cm2者為佳。當為不足5.0×1015atoms/cm2時,有著未引起有界面的脆化之情況,而當超出4.5×1017atoms/cm2時,在貼合後之熱處理中成為氣泡,有著成為轉印不佳的情況。
自加以離子注入的基板表面至離子注入範圍12i為止之深度(即,離子打入深度)係對應於設置在保持基板21上之單結晶SiC薄膜之所期望的厚度之構成,通常為100~2,000nm、而理想為300~500nm、更理想為400nm程度。另外,離子注入範圍12i之厚度(即,離子分布厚度)係經由機械衝擊等而可容易地剝離之厚度為為
佳,而理想為200~400nm、更理想為300nm程度。
接著,施以表面活性化處理而貼合單結晶SiC基板12s之薄膜22a形成面與保護基板21之薄膜22a形成面。作為表面活性化處理係進行電漿活性化處理,真空離子束處理或對於臭氧水之浸漬處理即可。
其中,進行電漿活性化處理之情況,於真空處理室中,載置至上述工程1-3為止之處理結束之單結晶SiC基板12s及/或保持基板21,在減壓下而導入電漿用氣體之後,暴露5~10秒程度於100W程度之高頻率電漿,將表面進行電漿活性化處理。作為電漿用氣體係可使用氧氣,氫氣,氮氣,氬氣,或此等混和氣體或者氫氣與氦氣的混合氣體者。
真空離子束處理係於高真空的處理室中,載置單結晶SiC基板12s及/或保持基板21,將Ar等之離子束照射至進行貼合的表面,而進行活性化處理。
對於臭氧水的浸漬處理係於溶解臭氧氣體之臭氧水,浸漬單結晶SiC基板12s及/或保持基板21,將其表面進行活性化處理。
上述之表面活性化處理係亦可對於僅單結晶SiC基板12s或僅保持基板21進行,但對於單結晶SiC基板12s及保持基板21雙方進行者為更佳。
另外,表面活性化處理係亦可為上述方法之
任一個,而進行組合之處理亦可。更且,進行單結晶SiC基板12s,保持基板21之表面活性化處理的面係進行組合的面,即薄膜22a表面者為佳。
接著,將進行此單結晶SiC基板12s及保持基板21之表面活性化處理的表面(薄膜22a,22a表面),作為接合面而加以貼合。
接著,在貼合單結晶SiC基板12s與保持基板21之後,進行理想為150~350℃,而更理想為150~250℃之熱處理,使薄膜22a,22a之貼合面的結合強度提升。此時,經由單結晶SiC基板12s與保持基板21之間的熱膨脹率差而產生有基板的彎曲,但採用適合於各材質之溫度而抑制彎曲即可。作為熱處理時間,係對於溫度亦有某種程度依存,但2小時~24小時為佳。
經由此,薄膜22a,22a係產生密著而成為一個的層,與成為介入存在層22之同時,單結晶SiC基板12s與保持基板21則藉由介入存在層22而成為堅固密著之貼合基板13(圖4(d))。
對於貼合基板13,賦予熱的能量或機械性能量至所離子注入之部分,在離子注入範圍12i,剝離單結晶SiC基板12s,而於保持基板21上轉印單結晶SiC薄膜12a,得到單結晶SiC薄膜載持體14(圖4(e))。
作為剝離方法,係可適用例如將貼合基板13
加熱成高溫,經由此熱而在離子注入範圍12i,發生離子注入成分之微小的塊狀體而使剝離產生,分離單結晶SiC基板12s之熱剝離法。或者,可適用施以未產生熱剝離程度之低溫熱處理(例如、500~900℃、理想為500~700℃)之同時,於離子注入範圍12i之一端,加上物理性的衝擊而機械性地使剝離產生,分離單結晶SiC基板12s之機械剝離法。機械剝離法係單結晶SiC薄膜轉印後之轉印表面的粗度則較熱剝離法而言為比較少之故,而為更佳。
然而,在剝離處理後,將單結晶SiC薄膜載持體14,以加熱溫度700~1,000℃,較剝離處理時為高之溫度,加熱時間1~24小時的條件進行加熱,改善單結晶SiC薄膜12a與保持基板21之密著性,進行熱處理亦可。
此時,薄膜22a、22a係堅固地密著,更且薄膜22a、22a係各與單結晶SiC基板12s,保持基板21堅固地密著之故,在離子注入範圍12i之剝離部分以外的部分之剝離係未產生。
然而,剝離之後的單結晶SiC基板12s係成為可經由將表面施以再次研磨或洗淨等之時,而再次作為在該單結晶SiC薄膜載持體14之製造方法中之貼合用的基板進行再利用。
接著,對於單結晶SiC薄膜載持體14之單結晶SiC
薄膜12a,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起的缺陷而作為單結晶SiC層12(圖4(f))。
在此,作為經由機械性加工的粗面化處理,經由使用金剛鑽磨粒而將單結晶SiC薄膜12a表面研磨於隨機的方向之時,而粗面化該單結晶SiC薄膜12a表面者為佳。具體而言,將單結晶SiC薄膜載持體14之單結晶SiC薄膜12a的面按壓於滲入金剛石研磨漿之旋轉的研磨布,而研磨方向則呈成為隨機地改變單結晶SiC薄膜載持體14之方向同時,進行拋光研磨加工即可。單結晶SiC基板12s之表面係原本為平滑,對於單結晶SiC薄膜12a之保持基板21側的表面係加以反映單結晶SiC基板12s之平滑的表面,但單結晶SiC薄膜12a之上述拋光研磨加工面係成為呈較保持基板21側的平面表面加以粗面化,而具有細微之表面凹凸。另外,單結晶SiC薄膜12a之表面係為離子注入剝離面,但如上述,如根據將研磨方向作成隨機之拋光研磨加工,成為可形成與除去經由離子注入之損傷層之同時,構成凹凸之傾斜面則整備呈將保持基板21側表面的法線方向,作為基準而朝向隨機方向之細微的凹凸之表面狀態者。
然而,單結晶SiC層12之粗面化的程度(凹凸的大小或傾斜面之朝向方向的隨機度加減),係可由金剛鑽磨粒的粒徑,按壓單結晶SiC薄膜載持體14之壓力或研磨時間而進行調整。
接著,對於單結晶SiC薄膜12a之表面係由因機械性加工(拋光研磨加工)而引起之缺陷產生之情況,進行除去此缺陷之處理。具體而言,施以熱氧化處理而於加工後的單結晶SiC薄膜12a,形成薄的熱氧化膜。經由此,由單結晶SiC薄膜12a表面的機械性加工所導入之缺陷範圍則成為熱氧化膜。此時,經由上述離子注入之損傷範圍,亦成為呈含於熱氧化膜。接著,將此單結晶SiC薄膜12a的表面,浸漬於氫氟酸(氟酸)液而除去熱氧化膜,使清淨之單結晶SiC表面露出(犧牲氧化法)。經由對於單結晶SiC薄膜載持體14之單結晶SiC薄膜12a,施以以上之處理之時,可作為此處理面則較保持基板21側的表面富凹凸,且構成該凹凸之傾斜面則成為將保持基板21側表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向之凹凸面之單結晶SiC層12。
在此,將單結晶SiC層12之表面凹凸的狀態,作為算術平均粗度Ra為1nm以上100nm以下之表面凹凸,而將構成該凹凸之傾斜面的最大斜度,在任何的方位均作為2度以上10度以下者為佳。即,作為單結晶SiC層12之表面的表面粗度,係例如,在單結晶SiC層12的表面,某方向(X方向)的表面粗度與正交於此方向之方向(Y方向)的表面粗度則同時在算術平均粗度Ra,理想為1~100nm、更理想為5~30nm。
另外,構成單結晶SiC層12的表面凹凸之傾斜面則將保持基板21側表面的法線方向作為基準而朝向
隨機的方向係指:意味例如在單結晶SiC層12的表面,某方向(X方向)的表面粗度與正交於此方向之方向(Y方向)的表面粗度則大致相同者。兩者的表面粗度則大致相同係指:例如兩者的算術平均粗度Ra的差則理想為最大Ra之10%以下,而更理想為最大Ra之5%以下。或者,意味在單結晶SiC層12之表面的X方向之表面粗度剖面與Y方向之表面粗度剖面則顯示大致相同圖案者。兩者的表面粗度剖面則大致相同係指:意味表面的斜面之配向方位則為等向性,而高低差亦為同樣。
經由本工程,可製作於保持基板21上,藉由介入存在層22而載持具有上述表面凹凸的單結晶SiC層12之單結晶SiC層載持體15(圖4(f))。
接著,使用所得到之單結晶SiC層載持體15,經由化學氣相沉積法,堆積多結晶SiC於單結晶SiC層12上而形成多結晶SiC基板11(圖4(g))。
此時,多結晶SiC之結晶的最密面,則呈將單結晶SiC層之保持基板21側表面的法線方向作為基準而隨機地配向地加以形成。
在此,作為化學氣相沉積法係使用熱CVD法者為佳。作為此熱CVD條件,係以堆積多結晶SiC而進行成膜之一般的條件即可。
此時,多結晶SiC則堆積於單結晶SiC層12
之表面,但該單結晶SiC層12表面係如上述,具有表面凹凸之故,於構成該表面凹凸的各傾斜面,多結晶SiC之結晶的最密面(格子面)則呈成為平行於其傾斜面地進行配向而成長,而在單結晶SiC層12上,對於多結晶SiC基板11之各結晶粒,其成長的方位則成為呈隨機地改變。其結果,如圖2所示,多結晶SiC基板11之多結晶SiC的結晶之格子面11p之配向方位係對應於構成單結晶SiC層12之界面側表面凹凸的各傾斜面之方向,進行分散配向(將單結晶SiC層12之保持基板21側表面的法線方向作為基準而隨機地配向)。
然而,在單結晶SiC層載持體15中,如上述,並非於僅設置保持基板21之單結晶SiC層12的面(表面)形成多結晶SiC基板11,而於與此相反面(背面)亦形成多結晶SiC基板11’者為佳(圖4(g))。經由此,即使做成於保持基板21與多結晶SiC基板11,11’之間產生有因熱膨脹係數的差引起之應力,經由多結晶SiC基板11,11’而作用於保持基板21之表背面的應力方向係亦成為相互相反方向,而其大小係成為均等之故,可作為呈對於此層積體未產生有彎曲者,其結果,可得到未有彎曲的SiC複合基板。
接著,物理性及/或化學性地除去在工程1-7所得到之層積體的保持基板21,而得到SiC複合基板10(圖4
(h))。此時,對於保持基板21則由矽所成之情況,例如可經由氟硝酸溶液而容易選擇性地進行蝕刻除去者。
因應必要,於SiC複合基板10之單結晶SiC層12上,形成SiC磊晶層12'即可(圖4(i))。經由此,對於單結晶SiC層12之厚度則為薄的0.1μm,而作為功率半導體裝置之活性層而使用係過薄時,成為經由將SiH2Cl2(流量200sccm)與C2H2(流量50sccm)作為原料之1550℃之1小時的氣相成長(同質磊晶成長)而形成厚度8μm之SiC磊晶層12’,可得到適應功率半導體裝置之製造的SiC複合基板者。
對於本發明之實施形態2,參照圖5同時加以說明。
首先,與實施形態1同樣作為而進行工程1-6為止,準備2組單結晶SiC層載持體15(圖5(a))。
接著,藉由接著層23而貼合(接合)2組之單結晶SiC層載持體15的保持基板21彼此,得到接著貼合體16(圖5(b))。接著貼合體16係成為於其表背面露出有
單結晶SiC層12之兩面基板。此時,使用對於在之後進行之化學氣相成長而言,具有耐熱性之接著劑即可。
接著,於接著貼合體16之表背面的單結晶SiC層12之各凹凸面,經由與實施形態1同樣之化學氣相成長法而堆積多結晶SiC,形成多結晶SiC基板11(圖5(c))。在此,即使做成於保持基板21與多結晶SiC基板11之間產生有因熱膨脹係數的差引起之應力,作用於加以貼合2片之保持基板21之構成表背面的應力方向係亦成為相互相反方向,而其大小係成為均等之故,可作為呈對於此層積體未產生有彎曲者,其結果,可得到2組未有彎曲的SiC複合基板。
接著,對於在工程2-3所得到之層積體,在保持基板21之背面彼此之接合部分(接著層23)進行分離,同時(或其之後)物理性及/或化學性地除去各保持基板21,而得到2組之SiC複合基板10(圖5(d))。此時,對於保持基板21則由矽所成之情況,例如可經由氟硝酸溶液而容易選擇性地蝕刻除去接著層23及保持基板21者。
之後,因應必要,與實施形態1同樣地,於SiC複合
基板10之單結晶SiC層12上,形成SiC磊晶層12’即可(圖5(e))。
對於本發明之實施形態3,參照圖6同時加以說明。
首先,使SiC異質磊晶成長於保持基板21上,設置單結晶SiC薄膜12e,準備2片單結晶SiC薄膜載持體14’(圖6(a))。例如,將具有2片之(001)表面的單結晶Si晶圓作為保持基板21,於其上層,異質磊晶成長將(001)面作為主面方位的3C-SiC層即可。詳細為先行於此異質磊晶成長,將保持基板(單結晶Si晶圓)21暴露於20Pa之C2H2環境同時,從500℃升溫至1,340℃,於其表面層,使單結晶之3C-SiC膜成長厚度15nm之後,保持基板溫度之同時,導入流量200sccm之SiH2Cl2與流量50sccm之C2H2,經由將壓力作為15Pa之時,異質磊晶成長將厚度20μm之(001)面作為主面方位的單結晶3C-SiC層12即可。
接著,對於單結晶SiC薄膜載持體14’之單結晶SiC薄膜12e,與實施形態1之工程1-6同樣作為,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起之
缺陷而作為單結晶SiC層12(圖6(b))。
在此,除去上述機械性加工條件或缺陷的條件係與實施形態1之工程1-6相同。作為其結果,單結晶SiC層12之表面凹凸的狀態,亦成為與實施形態1相同。
經由本工程,可製作於保持基板21上,載持具有上述表面凹凸的單結晶SiC層12之單結晶SiC層載持體15’(圖6(b))。
接著,藉由接著層23而貼合(接合)2片之單結晶SiC層載持體15’的保持基板21彼此,得到一組之接著貼合體16’(圖6(c))。接著貼合體16’係成為於其表背面露出有單結晶SiC層12之兩面基板。此時,使用對於在之後進行之化學氣相成長而言,具有耐熱性之接著劑即可。
接著,於接著貼合體16’之表背面的單結晶SiC層12之各凹凸面,經由與實施形態1同樣之化學氣相成長法而堆積多結晶SiC,形成多結晶SiC基板11(圖6(d))。在此,即使做成於保持基板21與多結晶SiC基板11之間產生有因熱膨脹係數的差引起之應力,作用於加以貼合2片之保持基板21之構成表背面的應力方向係
亦成為相互相反方向,而其大小係成為均等之故,可作為呈對於此層積體未產生有彎曲者,其結果,可得到2片未有彎曲的SiC複合基板。
接著,對於在工程3-4所得到之層積體,在保持基板21之背面彼此之接合部分(接著層23)進行分離,同時(或其之後)物理性及/或化學性地除去各保持基板21,而得到2組之SiC複合基板10(圖6(e))。此時,對於保持基板21則由矽所成之情況,例如可經由氟硝酸溶液而容易選擇性地蝕刻除去接著層23及保持基板21者。
對於本發明之實施形態4,參照圖7同時加以說明。
首先,使SiC異質磊晶成長於保持基板21兩面,設置單結晶SiC薄膜12e,準備單結晶SiC薄膜載持體14”(圖7(a))。例如,將具有將兩面進行鏡面研磨(111)之表面的單結晶Si晶圓,作為保持基板21,於其兩面,異質磊晶成長3C-SiC層即可。詳細為先行於此異質磊晶成長,將保持基板(單結晶Si晶圓)21暴露於20Pa之C2H2環境同時,從500℃升溫至1,340℃,於其表層,使單結晶之3C-SiC膜成長厚度15nm之後,保持
基板溫度之同時,導入流量200sccm之SiH2Cl2與流量50sccm之C2H2,經由將壓力作為3.2Pa之時,磊晶成長將(111)面作為主面方位的單結晶3C-SiC層12即可。
此時,與實施形態3不同,避免膜厚之3C-SiC磊晶成長即可。因為,在將(111)面作為主面方位的3C-SiC層面內中,即使產生有層積缺陷,亦未發現與在具有Si(111)表面之單結晶Si晶圓的界面之應力緩和效果之故,而當將3C-SiC層作為厚膜化時,內部應力則產生積存,而有招致3C-SiC層/保持基板(單結晶Si晶圓)界面的剝離或對於3C-SiC磊晶成長層內之斷裂產生之虞。因此,調整磊晶成長時間,停留於將膜厚2μm作為上限之3C-SiC磊晶成長即可。對於3C-SiC層面內係產生有超過10GPa之拉伸應力,但由加以形成於保持基板21之單結晶Si晶圓的表背面之情況,內部應力則平衡,而保持基板21則成為未變形而可保持平坦性者。
接著,對於單結晶SiC薄膜載持體14”之單結晶SiC薄膜12e,與實施形態1之工程1-6同樣作為,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起之缺陷而作成單結晶SiC層12(圖7(b))。
在此,除去上述機械性加工條件或缺陷的條件係與實施形態1之工程1-6相同即可。作為其結果,單結晶SiC層12之表面凹凸的狀態,亦成為與實施形態1
相同。
經由本工程,可製作於保持基板21上,載持具有上述表面凹凸的單結晶SiC層12之單結晶SiC層載持體15”(圖7(b))。
接著,於單結晶SiC層載持體15”之表背面的單結晶SiC層12之各凹凸面,經由與實施形態1同樣之化學氣相成長法而堆積多結晶SiC,形成多結晶SiC基板11(圖7(c))。在此,即使做成於保持基板21與多結晶SiC基板11之間產生有因熱膨脹係數的差引起之應力,作用於保持基板21之表背面的應力方向係亦成為相互相反方向,而其大小係成為均等之故,可作為呈對於此層積體未產生有彎曲者,其結果,可得到2組未有彎曲的SiC複合基板。
接著,對於在工程4-3所得到之層積體,物理性及/或化學性地除去保持基板21,而得到2組SiC複合基板10(圖7(d))。此時,對於保持基板21則由矽所成之情況,例如可經由氟硝酸溶液而容易選擇性地進行蝕刻除去保持基板21者。
以上,在本發明之實施形態1~4中,顯示對於單結晶SiC之磊晶成長,使用SiH2Cl2與C2H2之混合氣
體的氣相成長例,但單結晶SiC之形成方法係並不限定於此,而在經由矽烷系,氯矽烷系,碳化氫之組合的減壓或常壓氣相成長,或者分子束磊晶成長,更且液相成長,亦可得到同樣的效果。
另外,對於單結晶SiC層12之表面凹凸形成係未必使用經由金剛石研磨漿的機械性加工,而構成其凹凸之傾斜面則如為將該單結晶SiC層之表面的法線方向作為基準而配向於隨機的方向,亦可使用光微影法或奈米列印等之手段者。
另外,顯示過作為保持基板21而使用矽基板的例,但如實施形態3,4,如未需要使SiC作為異質磊晶成長,未必為單結晶Si基板,而使用廉價之多結晶Si基板亦可。
在實施形態2,3中,經由單結晶SiC薄膜12a之機械性加工的粗面化及因該機械性加工引起之缺陷的除去處理係未必必須在保持基板21彼此之接著以前的實施者,而如為在多結晶SiC基板11之形成(堆積)前,在貼著保持基板21彼此而作為貼合體之狀態而實施亦可。
另外,在實施形態2,3中,藉由接著層23而接著保持基板21彼此,但如為可實現充分的附著強度,未藉由接著層23而直接接合亦可。
以下,舉出實施例,更具體地說明本發明,但本發明係不限定於實施例者。
依據在本發明之SiC複合基板的製造方法之實施形態1,在以下的步驟而製造本發明之SiC複合基板10。
首先,準備作為單結晶SiC基板12s而使(000-1)C面傾斜2度於[11-20]方位之單結晶4H-SiC晶圓,經由將此,在大氣壓的乾燥氧環境中,施以90分鐘,1,100℃之熱氧化處理之時,而於表面,作為薄膜22a而形成厚度0.2μm之熱氧化膜(圖4(a))。
接著,準備作為保持基板21而具有(001)表面之單結晶Si晶圓,經由將此,在大氣壓的乾燥氧環境中,施以90分鐘,1,100℃之熱氧化處理之時,而於表面,作為薄膜22a而形成厚度0.6μm之熱氧化膜(圖4(b))。
接著,於工程1之單結晶4H-SiC晶圓之熱氧化膜形成面,以150keV的能量而照射1×1017atoms/cm2的氫離子,形成離子注入範圍12i(圖4(c))。
接著,施以電漿活性化處理而貼合單結晶4H-SiC晶圓之薄膜22a形成面與單結晶Si晶圓之薄膜22a形成面,得到貼合基板13(圖4(d))。
接著,對於貼合基板13,賦予機械性能量於進行離子注入的部分,在離子注入範圍12i,使單結晶4H-SiC基板晶圓剝離,於單結晶Si晶圓上,轉印厚度0.2μm之單結晶SiC薄膜12a而得到於表面露出有4H-SiC(0001)Si面之單結晶SiC薄膜載持體14(圖4(e))。
接著,以100g/cm2之壓力而按壓露出於單結晶SiC薄膜載持體14表面的4H-SiC(0001)Si面,塗佈10μm之粒度的金剛石研磨漿之研磨布,使其反覆運動於隨機的方向。在將此進行10分鐘反覆運動之後,以純水清洗單結晶SiC薄膜12a表面的金剛石研磨漿,在以過氧化氫水與硫酸的混合溶液進行洗淨。接著,經由在大氣壓的乾燥氧環境,施以60分鐘,1,100℃之熱氧化處理之時,於單結晶SiC薄膜12a的研磨面,形成厚度0.1μm之熱氧化膜。經由此熱氧化處理而將經由使用金鋼石研磨漿的研磨而導入有缺陷之單結晶SiC薄膜12a表面,加以變換為矽
氧化膜。之後,將其表面,浸漬5分鐘於5vol%之HF溶液,使清淨的單結晶4H-SiC表面露出而作成單結晶SiC層12(圖4(f))。處理後之單結晶SiC層12的表面凹凸之算術平均粗度係為3nm,構成其表面凹凸之傾斜面的最大斜度為3度,該傾斜面則成為將單結晶Si晶圓(保持基板21)側表面的法線方向作為基準而朝向隨機方向之凹凸面。
接著,於單結晶SiC層12之凹凸面,經由熱CVD法而將SiCl4(流量200sccm)與C3H8(流量50sccm)作為原料,以加熱溫度1,320℃而堆積多結晶的3C-SiC。將此時的壓力作為15Pa,經由8小時之堆積處理而於單結晶SiC晶圓(保持基板21)的表背面,即單結晶SiC層12表面與單結晶Si晶圓背面,各形成厚度840μm之多結晶SiC基板11,11’(圖4(g))。
接著,將在工程7所得到之層積體,浸漬120小時於HF與HNO3的混合溶液時,選擇性地加以蝕刻除去保持基板21之單結晶Si晶圓,與此同時,背面側的多結晶SiC基板11’則產生剝離,得到單結晶SiC層12(4H-SiC(0001)Si面)/多結晶SiC基板11(立方晶SiC(840μm厚度))之層積構造之本発明的SiC複合基板10(圖4
(h))。
以實體顯微鏡而觀察所得到之SiC複合基板10之多結晶SiC基板11,即,所堆積之多結晶膜(多結晶SiC基板)之表面時,如圖8所示,成為粒狀,而粒徑係自0.1μm,以1μm之不定形的結晶粒之組合而加以形成。
另外,使用X線繞射裝置(股份有限公司Rigaku製SuperLab、Cu管球)而經由X線繞射法(θ-2θ掃描),調查多結晶SiC基板11之結晶性時,如圖9所示,了解到3C-SiC之(111)面則為構成膜之結晶的支配性的格子間格者。
更且,使用上述X線繞射裝置而經由X線搖擺曲線法(ω掃描),而取得將單結晶SiC層之表面的法線軸作為基準,構成多結晶SiC基板11之3C-SiC結晶的(111)面之搖擺曲面時,成為如圖10所示。在圖10中,將單結晶SiC層12之表面的法線軸作為基準(ω=0度)之情況,成為ω≦-2度或2度≦ω之結晶粒的比例則成為構成多結晶SiC基板11之全結晶粒的65%以上。即,構成多結晶SiC基板11之3C-SiC結晶的(111)面,則可說是將單結晶SiC層12之表面的法線軸作為基準而隨機地配向。
如此,多結晶SiC基板11之結晶粒的配向方位則對於單結晶SiC層12之表面的法線軸而言隨機地分散之故,加以阻止在多結晶SiC基板11與單結晶SiC層
12之不整合界面中對於特定方位之應力集中,其面內應力係成為0.1GPa以下,多結晶SiC基板11與單結晶SiC層12係堅固地附著。此單結晶SiC層12之4H-SiC(0001)面內的應力係可經由拉曼散射光譜的峰值移位而預估者。
更且,當測定所得到之SiC複合基板10之Bow量(彎曲)時,係為20μm以下。如上述,加以推測經由在結晶SiC基板11與單結晶SiC層12之不整合界面中謀求低內部應力者。
然而,上記SiC複合基板10之彎曲係經由垂直入射方式之菲左干涉儀(Corning Tropel公司製、FlatMaster)而測定Bow量。在此,SiC複合基板10係如圖11所示,Bow量b1、b2係作為SiC複合基板10之中央部與端部的高低差而進行測定,而基板的中央部則如圖11(a)所示地,於下方向凸的情況作為負的值,而如圖11(b)所示,於上方向凸的情況作為正的值。另外,SiC複合基板10之單結晶SiC層12則配置於成為上側(表面側)之方向而測定彎曲。上記SiC複合基板10係基板之中央部則成為凸於上方向。
然而,至此依據圖面所示之實施形態說明過本發明,但本發明係並非加以限定於圖面所示之實施形態者,而其他的實施形態,追加,變更,刪除等,可在本業者可思考到之範圍內進行變更,而在任何形態中,只要得到本發明之作用效果,均包含於本發明之範圍。
11‧‧‧多結晶SiC基板
11b‧‧‧晶粒邊界
11p,12p‧‧‧格子面
12‧‧‧單結晶SiC層
I12/11‧‧‧不整合界面
Claims (8)
- 一種SiC複合基板之製造方法,係於多結晶SiC基板上,具有單結晶SiC層之SiC複合基板的製造方法,其特徵為在設置單結晶SiC薄膜於保持基板之主面之後,對於該單結晶SiC薄膜,經由機械性加工而粗面化其表面,更且除去因此機械性加工引起之缺陷,而作成此面則成為較保持基板側的表面富凹凸,且構成該凹凸之傾斜面則將保持基板側表面的法線方向作為基準而朝向隨機的方向之凹凸面之單結晶SiC層,接著,經由化學氣相沉積法而堆積多結晶SiC於該單結晶SiC層之凹凸面,形成該多結晶SiC之結晶的最密面則將單結晶SiC層之保持基板側表面的法線方向作為基準而隨機地配向之多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
- 如申請專利範圍第1項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,經由使用金剛鑽磨粒而將上述單結晶SiC薄膜表面研磨於隨機的方向之時,而粗而化該單結晶SiC薄膜表面者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,上述保持基板係由多結晶或單結晶矽所成者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,將經由離子注入剝離法而自單結晶SiC基板所剝離之單結晶SiC薄膜,轉印至上述保持基板上而設置者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,於上述保持基板上,使SiC異質磊晶成長而設置上述單結晶SiC薄膜者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作設置上述單結晶SiC層於上述保持基板的兩面之單結晶SiC層載持體,接著,於各單結晶SiC層之凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,於各該單結晶SiC層之凹凸面及上述保持基板的背面,形成上述多結晶SiC基板,之後,物理性及/或化學性地除去上述保持基板者。
- 如申請專利範圍第1項或第2項記載之SiC複合基板之製造方法,其中,製作2片於僅上述保持基板的表面,設置上述單結晶SiC層之單結晶SiC層載持體,接合此等之單結晶SiC層載持體之保持基板的背面彼此之後,於各此接合之基板的表背面之單結晶SiC層之凹凸面,形成上述多結晶SiC基板,接著,在上述保持基板之背面彼此的接合部分進行分離,而與此同時或之後,物理性及/或化學性地除去各保持基板者。
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